五大挑戰者出擊,台積電還能高枕無憂嗎?

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今年十月, 晶圓代工廠台積電董事長張忠謀談及Intel跨足晶圓代工領域,談及Intel此舉是把腳伸到池裡試水溫,並道:「相信英特爾會發現,水是很冰冷的。

」全球晶圓代工在2015年的產值高達488.91億美元,更是台灣科技業與金融業維生的命脈。

Intel和台積電之對決將孰贏孰敗?更別提一旁虎視眈眈地三星,這場戰爭在多年以前早已悄悄開打。

今天就讓我們來談談各家巨頭的愛恨糾葛。

全球第一家、也是全球最大的晶圓代工企業,晶圓代工市占率高達54%。

2015年資本額約新台幣2,593.0億元,市值約1,536億美金(2016/9)、約五兆新台幣。

另一方面,台積電在2016年度的資本支出高達95億至105億美元(約新台幣3,050億至3,380億元),已超越Intel。

製程方面採取穩進路線,從28納米、20納米,到2015年Q2成熟製程(能大量生產、且在效能與良率上都穩定)達16納米。

先進位程10納米預計在2017年第1季量產。

其更於今年9月底透露,除5納米製程目前正積極規劃之外,更先進的3納米製程目前也已組織了300到400人的研發團隊。

未來,物理限制讓製程、摩爾定律也越難以實現,台積電預計將採取持續投入先進位程研發,但也著力於成熟製程特規化上的雙重策略,以維持其晶圓代工的龍頭地位。

一、聯電是怎樣落伍的

聯電僅次於台積電、是全球第二大晶圓代工廠。

然2015年已被格羅方德以9.6%的市占超過、以9.3% 的市占率成為老三。

事實上代工產業只有龍頭一枝獨秀,景氣不佳時僅台積電始終維持獲利,其餘2、3、4名皆是一團混戰。

聯電創立於1980年,也是台灣第一家上市的半導體公司,早年一直是晶圓代工領域的領導者。

什麼原因導致聯電與台積電曾並稱晶圓雙雄,到如今無論股價、營收與獲利都拼不過台積電在晶圓代工的地位呢?這就要說說台積電董事長張忠謀與聯電榮譽董事長曹興誠二王相爭的故事了。

張忠謀於1949年赴美留學,分別拿到美國麻省理工學院機械工程系學士、碩士,因為申請博士失敗,畢業後只好先進入德州儀器(TI)工作,當時的張忠謀27歲。

彼時德儀正替IBM生產四個電晶體,IBM提供設計、德儀代工,可以說是晶圓代工的雛形。

張忠謀帶領幾個工程師,成功把德儀的良率從2%-3%成功提升至20%以上、甚至超過IBM的自有產線。

張忠謀在德儀待了25年,直到1983年確定不再有升遷機會,1985年應經濟部長孫運璿之邀、回台擔任工研院院長,當時的張忠謀已經54歲了。

相較於張忠謀的洋學歷與外商經歷,曹興誠由台大電機系學士、交大管科所碩士畢業後進入工研院。

工研院於1980年出資成立聯電後,於1981年起轉任聯電副總經理、隔年轉任總經理。

讓我們再看一次──聯電是創立於1980年,曹興誠1981年任副總經理、張忠謀於1985年以工研院院長身分兼任聯電董事長。

1986年、張忠謀創辦了台積電,並身兼工研院、聯電與台積電董事長三重身分。

相較於以整合元件設計(IDM)為主、開發自家處理器與記憶體產品的聯電,台積電專攻晶圓代工。

這在當時完全是一個創舉、更沒人看好,一般認為IC設計公司不可能將晶片交由外人生產、有機密外泄之虞,況且晶圓代工所創造的附加價值比起販售晶片還低得多。

然而建立晶圓廠的資本支出非常昂貴,若將晶片的設計和製造分開,使得IC設計公司能將精力和成本集中在電路設計和銷售上,而專門從事晶圓代工的公司則可以同時為多家IC設計公司提供服務,儘可能提高其生產線的利用率、並將資本與營運投注在昂貴的晶圓廠。

台積電的成功,也促使無廠半導體(Fabless)的興起。

不過這完全惹惱了曹興誠,他宣稱在張忠謀回台的前一年便已向張提出晶圓代工的想法,卻未獲回應,結果張忠謀在擔任聯電董事長的情況下,隔年竟手拿政府資源、拉上用自己私人關係談來的荷商飛利浦(Philips)合資另創一家晶圓代工公司去了。

當時曹興誠示威性地選在工研院與飛利浦簽約的前夕召開記者會、宣布聯電將擴建新廠以和台積電抗衡。

從那之後,曹興誠和張忠謀互斗的局面便未停止過;然而張忠謀亦始終擔任聯電董事長,直到1991年曹興誠才成功聯合其他董事以競業迴避為由,逼張忠謀辭去、並從總經理爬到董事長一職。

台積電隨後在晶圓代工上的成功,也成了聯電的借鑑。

1995年聯電放棄經營自有品牌,轉型為純專業晶圓代工廠。

曹興誠的想法比張忠謀更為刁鑽──他想,若能與無廠IC設計公司合資開設晶圓代工廠,一來不愁沒有資金蓋造價昂貴的晶圓廠,二來了掌握客戶穩定的需求、能直接承接這幾家IC設計公司的單。

故曹興誠發展出所謂的「聯電模式」,與美國、加拿大等地的11家IC設計公司合資成立聯誠、聯瑞、聯嘉晶圓代工公司。

然而此舉伴隨而來的技術外流風險,大型IC設計廠開始不願意將晶片設計圖給予聯電代工,使得聯電的客戶群以大量的中小型IC設計廠為主。

1996年,因為受到客戶質疑在晶圓代工廠內設立IC設計部門,會有懷疑盜用客戶設計的疑慮,聯電又將旗下的IC設計部門分出去成立公司,包括現在的聯發科技、聯詠科技、聯陽半導體、智原科技等公司。

再來是設備未統一化的問題──和不同公司合資的工廠設備必有些許差異,當一家工廠訂單爆量時,卻也難以轉單到其他工廠、浪費多餘產能。

相較之下,台積電用自己的資金自行建造工廠,不但讓國際大廠願意將先進位程交由台積電代工而不用擔心其商業機密被盜取、更能充分發揮產線產能。

不過真正讓曹興誠砸掉整個宏圖霸業、從此聯電再也追趕不上台積電的分水嶺,還在於1997年的一場大火,與2000年聯電與IBM的合作失敗。

我們在前述中提到,聯電的每個晶圓廠都是獨立的公司,「聯瑞」就是當時聯電的另一個新的八吋廠。

在建廠完後的兩年多後,1997年的八月開始試產,第二個月產就衝到了三萬多片。

該年10月,聯電總經理方以充滿企圖心的口吻表示:「聯電在兩年內一定幹掉台積電!」不料兩日後,一把人為疏失的大火燒掉了聯瑞廠房。

火災不僅毀掉了百億廠房,也讓聯瑞原本可以為聯電賺到的二十億元營收泡湯,更錯失半導體景氣高峰期、訂單與客戶大幅流失,是歷史上台灣企業火災損失最嚴重的一次,也重創了產險業者、賠了100多億,才讓台灣科技廠房與產險業者興起風險控制與預防的意識,此為後話不提。

在求新求快的半導體產業,只要晚別人一步將技術研發出來、就是晚一步量產將價格壓低,可以說時間就是競爭力。

在聯瑞被燒掉的那時刻,幾乎了確定聯電再也無法追上台積電。

2000 年與IBM的合作,對聯電來說又是一次重擊,卻是台積電翻身的關鍵。

隨著半導體元件越來越小、導線層數急遽增加,使金屬連線線寬縮小,導體連線系統中的電阻及電容所造成的電阻/電容時間延遲(RC Time Delay),嚴重的影響了整體電路的操作速度。

要解決這個問題有二種方法──一是採用低電阻的銅當導線材料;從前的半導體製程採用鋁,銅的電阻比鋁還低三倍。

二是選用Low-K Dielectric (低介電質絕緣)作為介電層之材料。

在製程上,電容與電阻決定了技術。

當時的IBM發表了銅製程與Low-K材料的0.13微米新技術,找上台積電和聯電兜售。

該時台灣半導體還沒有用銅製程的經驗,台積電回去考量後,決定回絕IBM、自行研發銅製程技術;聯電則選擇向IBM買下技術合作開發。

然而IBM的技術強項只限於實驗室,在製造上良率過低、達不到量產。

到了2003 年,台積電0.13 微米自主製程技術驚艷亮相,客戶訂單營業額將近55億元,聯電則約為15億元。

再一次,兩者先進位程差異拉大,台積電一路躍升為晶圓代工的霸主,一家獨秀。

Nvidia 執行長兼總裁黃仁勛說:「0.13微米改造了台積電。

現在的聯電在最高端製程並未領先,策略上專注於12 吋晶圓的40以下納米、尤其28納米,和8吋晶圓成熟製程。

除了電腦和手機外,如通訊和車用電子晶片,幾乎都採用成熟製程以控制良率、及提供完善的IC給予客戶。

聯電積極利用策略性投資布局多樣晶片應用,例如網路通訊、影像顯示、PC等領域,針對較小型IC設計業者提供多元化的解決方案,可是說是做台積電不想做的利基市場。

台積電的28納米製程早在2011年第4季即導入量產。

反觀聯電28納米製程遲至2014年第2季才量產,足足落後台積電長達2年半時間。

在28納米的基礎上聯電仍得和台積電競爭客戶,故在28納米需求疲軟時台積電仍能受惠於先進位程、而聯電將面臨不景氣的困境。

近來競爭趨烈,中芯也已在2015 年下半量產28 納米,故聯電計畫跳過20納米,原因在於20納米製程在半導體上有其物理局限,可說是下一個節點的過渡製程,效果在於降低功耗,效能上突破不大,因此下一個決勝節點會是16/14納米製程。

聯電預計在2017年上半年開始商用生產14納米FinFET晶片,以趕上台積電與三星,然而在隨著製程越趨先進,所需投入的資本及研發難度越大,聯電無法累積足夠的自有資本,形成研發的正向循環,未來將以共同技術開發、授權及策略聯盟的方式來彌補技術上的缺口。

二、最大的威脅者——三星

由李秉喆創立的韓國三星集團是世界上最大的一家由家族控制的商業帝國,早期出口乾魚、蔬菜、水果到中國東北去。

1970年代生產洗衣機、冰箱、電視機等家電, 1980年代開始引進美國先進技術並和韓國半導體公司完成合併,家電、電信與半導體成為三星電子的核心業務。

三星的晶圓代工事業的發展之所以能成功,蘋果可以說是一股最主要的助力。

三星是動態隨機存取記憶體(DRAM)和快閃記憶體(NAND)的領導廠商,全球市占率達15.5%。

故其始終掌握著iPhone的記憶體關鍵零組件,比如iPhone 4使用的快閃記憶體晶片來自三星、iPad顯示器也是由三星生產。

再加上三星的電子產品,使用的是自家生產的處理器、如Exynos獵戶座;為了獲得蘋果的資源發展晶圓產業、同時不讓自己的產能過剩(若處理器僅用在三星自身產品上會有多餘產能),其晶圓代工幾乎是用成本價吃掉蘋果單、記憶體打包一起折扣賣,來幫自己的晶圓代工練兵。

從iPhone的第一代晶片開始,蘋果一直向三星採購ARM架構的晶片。

2010年蘋果自主研發的A4晶片被搭載在iPad上正式發表、隨後又搭載在iPhone 4中。

A4處理器雖出自蘋果,三星自家發表的S5PC100處理器和A4晶片上採用的內核一模一樣,兩款晶片的電路設計上可以說是同一批人馬。

後續的A5、A6、A7也都是三星生產。

不過蘋果和三星在代工處理上的關係,直到三星在Android智慧型手機與蘋果的iOS開始起了摩擦。

2011年蘋果正式起訴三星GALAXY系列產品抄襲iPhone和iPad、三星又反起訴蘋果侵犯其10項技術專利,蘋果與三星的專利訴訟戰幾乎遍及全世界。

台積電之所以一直沒辦法獲得蘋果訂單,是由於台積電報價強硬,而蘋果迫使台積電接受與三星同樣的成本價、另一方面是當時台積電廠房產能已經滿載,無法接下蘋果如此大量的訂單。

後來蘋果因與三星爭訟、力行「去三星化」政策,且三星在20納米製程的良率無法突破,最後只用來生產自家Exynos 5430(用在GALAXY A8)與Exynos 5433(用在GALAXY Note 4);台積電20納米製程領先三星,同時台積電已經將產能擴張完畢,最後才由台積電首度拿下iPhone 6的A8處理器全部訂單。

從另一方面而言,此舉也是蘋果試著掌握議價權的策略──蘋果樂於見到兩家代工廠的競爭,讓價格成了比拼晶片效能外的最佳籌碼。

三星原先還在苦惱20納米製程的良率問題,忽然間竟直接殺到14納米製程了。

造成這個驚人轉變的關鍵因素,在於台積電內部所發生的泄密問題。

梁孟松是加州大學柏克萊分校電機博士,畢業後曾在美商超微(AMD)工作幾年,在1992年返台加入台積電。

台積電在2003年擊敗IBM、一舉揚名全球的0.13微米銅製程一役,其中便有他的功績。

2009年,梁孟松因研發副總升遷不上的問題、憤而離開研發部門,帶走了自己的一組人馬投奔南韓。

接下來的幾年,三星的製程突然研發快速進步,從48、32、28納米的間隔時間急遽縮短,且三星的電晶體製程與台積電的差異快速減少。

合理來說,三星的技術源自於IBM,其電晶體應是圓盤U狀,而非台積電所獨有的棱形結構特徵,但到了14納米製程,在結構上幾乎已經與台積電無異,據台積電委託外部專家所製作的對比分析報告指出,若單從結構上來看,已經無法分辨兩種晶圓是來自於台積電或是三星所製造,幾乎可以斷定是擅長FinFET技術的梁孟松將營業秘密泄露給了三星。

2014年5月,法院判定梁孟松直至2015年12月31日前不得進入南韓三星工作。

台灣法院從未限制企業高階主管在競業禁止期限結束之後,還不能到競爭對手公司工作,可以說是個歷史性的判決。

然而損害已經造成,台積電投入好幾年、幾千億的研發資金在一夕之間被同業超過,蘋果A9的大部分訂單更轉到了三星,對台積電所造成的損失高達好十幾億美元,原因即是三星的14納米已超越台積電的16納米。

此外張忠謀在2014年的法說會上,坦承16納米技術被三星超前,使台積電一度股價大跌、投資評等遭降。

這個局勢在iPhone 6s A9晶片忽然扭轉,使的台積電在蘋果A9處理器一戰成名。

同時採用三星及台積電製程的A9處理器在功耗上發生的顯著的差異:台積電的晶片明顯較三星地省電,適才爆發知名的iPhone 6s晶片門爭議。

這顯示著三星雖然在製程上獲得巨大的進步,但在良率及功耗的控制下仍輸給台積電,使得蘋果A9後續的追加訂單全到了台積電手裡;到了A10處理器,其代工訂單由台積電全部吃下。

三星雖然挖走了台積電的技術戰將,但防漏電及提高良率的苦功則還是要仰賴基層生產時的Know-how,這也是台積電的得意絕活。

為什麼三星的14納米會不如台積電的16納米製程的另一個原因,在於FinFET(鰭式場效應電晶體)先進位程上的命名慣例被三星打破。

當初台積電剛採用立體設計的FinFET工藝時,原本計畫按照與Intel一致的測量方法、稱為20納米FinFET,因為該代製程的線寬與前一代傳統半導體2D平面工藝20納米的線寬差不多。

但三星搶先命名為「14納米」,為了不在宣傳上吃虧,台積電改稱為「16納米」。

事實上,三星與台積電皆可稱為「20納米FinFET」。

台積電於2015年第4季末開始首批10納米送樣認證,當時僅蘋果、聯發科及海思等少數一線客戶,高通並未參與。

上個月14號(2016/11),高通正式宣布下世代處理器驍龍(Snapdragon)830將採用三星的10納米製程技術,原因在於:一是驍龍810上的發熱門事件即是採用台積電製程(雖然是高通自己的晶片設計問題);二是有韓國媒體傳出, 高通以晶圓代工訂單做為交換條件,要求2017年三星旗艦機Galaxy S8須採用驍龍830 晶片。

但若台積電能在製程上再度取得優勢,則可預期高通7納米製程將重回台積電懷抱。

三、巨人的衝擊,Intel

全球第一大半導體公司Intel近幾年來,由於在個人電腦市場持續衰退、又在行動通訊市場表現不佳,勢必要尋找其他成長動能,以intel的定位來說,本身x86平台已經有完善的垂直整合生態,然而ARM市場對intel可說是未開闢的市場,特別是ARM的授權模式讓intel可以直接從代工服務切入,開闢新的營收動能。

為了重整態勢,4月時intel在公布2016年第一季財報後、宣布全球將裁員12000人,並宣布退出行動通訊系統晶片市場。

此舉放棄了Atom晶片(包括Sofia處理器和預計今年上市的Broxton處理器)而用於平板的Atom X5也將逐漸淡出市場,但市場上大多人忽略的是intel早在2014年時就入股展訊,間接持有20%的股權,為未來行動處理器業務鋪路意味甚深。

8月,Intel在年度開發者大會(Intel Developer Forum, IDF)宣布開始處理器架構供應商ARM的IP授權,並首度直接表態「英特爾專業晶圓代工正協助全球各地的客戶」,未來將開始擴大搶食ARM架構的代工市場。

Intel選擇ARM Artisan平台,說明未來ARM架構的晶片廠都可以選擇Intel的代工服務。

據Intel的官方訊息指出: Intel專業晶圓代工(Intel Custom Foundry) 將作為提供代工服務的基地,並宣布第一批產品將用於LG和展訊上:LG將使用Intel的10納米平台以製造自家的64-bit ARMv8 mobile SoCs;而原先就是Intel控股的展訊則採用intel的14納米製程晶圓代工服務。

值得一提的是,若展訊選擇Intel 14納米製程代工服務,則該晶片將可能吸引三星的手機訂單──事實上三星在新興市場、比如印度,早已推出好幾款採用展訊晶片的低階智慧型手機;未來14納米製程晶片可能上到中階手機採取。

從一家身為IDM(Integrated Device Manufacturer, 整合元件製造)公司轉型到先進位程晶圓代工,Intel的每一步都意欲在行動通訊市場上力挽狂瀾。

在製程技術上,Intel確實有世界頂尖的技術工藝。

國際半導體評測機構Chipworks指出其14納米製程將晶片的電晶體鰭片間距做得最為緊密,真正達到了14納米,而非台積電與三星的宣稱的16納米/14納米,事實上僅有Intel 20納米的程度;Chipworks的測驗結果也證實了其電晶體效能均領先其他競爭對手。

但晶圓代工著重的不只是製程──產量、良率與背後的一連串支援服務,才是晶圓代工真正的關鍵價值鏈,對此張忠謀也指出英特爾並不是專業晶圓代工,只是把腳伸到池裡試水溫,並道:「相信英特爾會發現水是很冰冷的」。

但亦可得知2017年晶圓代工產業的競爭將會更為激烈。

2017年各家晶圓代工廠的決勝點將是7納米先進位程。

10納米製程因物理局限,僅是針對降低功耗做改善,效能上難以突破。

到了7納米、才會是突破10納米效能極限的先進位程,因此被各家廠商視為決勝點。

目前市場上的三大陣營台積電、三星與格羅方德都已經積極投入資源研發該製程,至於結果會如何,只能靜靜等待市場結果了。

四、遙遙落後的競爭者,格羅方德

格羅方德(GlobalFoundries)成立於2009年3月,是從美商超微(AMD)公司虧損連連後拆分出來的晶圓廠,加上阿布達比創投基金(ATIC)合資成立;AMD僅持有8.8%股份,餘下大部分由ATIC持有。

藉助背後石油金主ATIC的資金優勢, 四個月後收購了新加坡特許半導體,成為僅次於台積電和聯電的世界第三大晶圓代工廠。

畢竟是由AMD拆分出來的公司,格羅方德原先主要承接AMD處理器和繪圖晶片的生產訂單。

然而2011年,AMD Bulldozer架構的微處理器由格羅方德代工32納米製程時,因良率過低,造成原訂2011年第1季出貨的進度,一路延誤到2011年第4季,使得後來AMD將部分訂單轉交給台積電。

ATIC 作為金主,持續投入高額資本在先進位程的研發上;然而這條路走得始終不順遂。

台積電在2011年即量產28納米製程,格羅方德卻遲至2012下半年才正式量產。

在14納米FinFET工藝上,格羅方德於2014年獲得三星的技術授權專利,但自主研發能力也因此遭人詬病。

從2009年創立至今,格羅方德的營利始終是負數,2014年的凈虧損高達15億美元。

連續的巨額虧損讓石油金主也難以負擔,2015年甚至傳出阿布達比因油價腰斬手頭緊、打算脫手格羅方德變現的傳言。

2014年10月,IBM請格羅方德收下其虧損的晶片製造工廠、以避免支付更高額的關閉工廠遣散費與後續爭訟,並承諾在未來3年支付格羅方德現金15億美元。

近來傳格羅方德將跳過10 納米製程,直接跳級進軍7 納米製程,外界推測是藉由買下IBM 半導體事業,連同取得重要技術人才與專利。

從格羅方德取得的三星14納米製程技術、到IBM 7納米製程技術,不像台積電自主研發、以自有資金建廠,聯電與格羅方德的部分製程技術透過合作聯盟或授權而來,在出問題時很難及時調整、或找到人來收爛攤子。

成立以來一路走得跌跌撞撞的格羅方德,前景尚且一片茫茫。

五、新興競爭者——中芯國際

中芯國際成立於2000年, 2014年底獲得中國政府300億人民幣產業基金支持。

中芯試圖擠入台積電,Intel這幾家所把持的半導體市場,然後由於財力和製程技術的不足,技術落後台積電至少2代以上,使其始終難以承擔大型的IC設計客戶(如高通)的重要訂單。

為了縮短技術差距,中芯找上了高通尋求技術升級協助。

高通該時方被中國官方反壟斷調查、遭重罰9.75億美元,為了向中國政府示好便答應了和中芯的合作。

2015年,中芯與高通、華為成立合資企業,研發自有的14納米製程技術,並提出2020年前在中芯廠房投入量產的目標。

其中高通的投資金額達2.8 億美元,簽約時習近平還出席觀禮。

中芯目前已於2015下半年開始量產28納米製程,這也是中芯的首款產品。

該產線也不意外地拿到了高通驍龍410處理器的訂單。

關於晶圓代工戰爭的故事就到這邊暫且告一個段落。

看完了各家大廠間的競合策略,你認為哪一家最有可能成為下一代的領導廠商呢?

總結

由於摩爾定律逼近極限,讓過去台積電能仰賴在製程上甩脫對手一個世代、降低成本綁住訂單,藉以維持高毛利的作法將日益困難。

加上晶片越做越小、漏電流發生的可能越大,良率也勢必跟著下跌;因此未來朝向能管控成本的規模化,以及因應少量客制化需求的生產管理Know-how,將成為未來晶圓代工廠豎立競爭力的方向。

今年七月,台積電陸續出貨整合型扇形封裝(InFO)、跨足終端封裝技術,即是台積電邁向規模化發展的其中一步。

然而封裝的人力需求比晶圓製造來得高,後續的自動化進程將會如何,尚待未來分解。

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擊敗三星,台積電7nm奪得高通驍龍845訂單

南韓每日經濟新聞12日報導,台積電已打敗三星電子,爭取到高通的7nm訂單,可能阻礙近來三星電子試圖擴張晶圓代工市場的努力。報導引述業界消息指出,高通據傳已委託台積電生產7nm晶片,這是台積電原就...

握住iPhone心臟的人!

郭台銘說:「張忠謀打三星的ASIC,我打面板!我們有民族意識,對不對?」大陸半導體行業能否重演「Taiwan Story」,確實很有懸念【編者按:台積電終於戰勝電子巨頭三星,獨攬iPhone 7...

半導體代工廠混戰,台積電持續占優

早前台積電公布了今年二季度的業績,營收達到23億美元,比業界預期高了5.2%,並順勢提高今年的資本支出,從原預估的90~100億美元提升到95~105億美元,正不斷的加強它在半導體代工市場的競爭...

老杳:良率太差三星14nm再被台積電反超

一、梁孟松何許人也?梁孟松在台積電16年,2008年從台積電離職加盟三星,台積電可排進前十的研發天才,在美國專利局的資料庫里,梁孟松參與發明的半導體技術專利有181件,全部都是最先進、最專業、最...